Nathalie Brunelle a débuté sa carrière en 1995 chez Elf Atochem où elle prend ses premières responsabilités opérationnelles à la tête d’une unité de polymères du site de Normandie. Suite aux fusions entre Total, Fina et Elf, elle part travailler en Belgique. Elle y exerce les fonctions de responsable des opérations de la coentreprise Fina Antwerp Olefins, Directeur Plan et Stratégie de Total Petrochemicals, puis Directeur Commercial pour la Chimie de Base. En 2012, Nathalie Brunelle est nommée Directeur Stratégie, Développement et Recherche et membre du Comité Directeur de la branche Raffinage Chimie de Total puis en devient Secrétaire Générale.
Depuis octobre 2018, Nathalie Brunelle conduit le projet Total@Saclay.
Elle s’implique également sur les sujets Diversité & Talents et est Présidente du réseau des femmes de Total : TWICE.

Elle a été administratrice de CEPSA (Espagne) et de Rosier (Belgique).
Nathalie Brunelle est diplômée de l’Ecole Polytechnique et de l’IFP School, cycle « Advanced Technology in Petrochemicals, Polymers & Plastics » en association avec Mc Gill University, Canada.

Elle a trois enfants.